LESER. Павлючиков А. Управляемые системы сброса среды для защиты от избыточного давления (УСС)

УСС компании LESER имеют два базовых варианта исполнения щита управления предохранительными клапанами – пневматическое или электронно-пневматическое.

Оба исполнения УСС сертифицированы на соответствие требованиям Европейской Директивы 2018/68/ EU «Об оборудовании, работающем под давлением» и Технического Регламента Таможенного союза «О безопасности оборудования, работающего под избыточным давлением» (далее ТР ТС 032/2013).

Как известно, ТР ТС 032/2013 Приложение № 2 ч. 57 требует установки «импульсных предохранительных клапанов» на паровых котлах с рабочим давлением более 4 МПа (за исключением передвижных котлов и котлов паропроизводительностью менее 35 т/ч).

УСС компании LESER являются высокоточными и высокоэффективными импульсными предохранительными устройствами по смыслу ГОСТ 24856-2014 ч. 5.7.20, которые полностью соответствуют требованиям ТР ТС 032/2013. Помимо этого, УСС компании LESER предлагают широкие возможности для индивидуального технического исполнения и настройки системы управления.

К сожалению, ТР ТС 032/2013 использует не в полном объеме нормативную терминологию в соответствии с ГОСТ 24856-2014, что ведет к неоправданно узкому пониманию Приложения № 2 ч. 57, где имеются в виду, без всякого сомнения, импульсные предохранительные устройства в целом (импульсная арматура по смыслу ГОСТ 24856-2014 ч. 2.26), включая импульсные предохранительные клапаны как частный случай (пилотная арматура по смыслу ГОСТ 24856-2014 ч. 2.26).

Таким образом, представляется необходимым широкое обсуждение практики применения ТР ТС 032/2013 Приложение № 2 ч. 57 с целью выработки разъясняющих рекомендаций для пользователей и производителей, а также внесение возможных поправок в нормативные акты.

Проблематика как основа для внедрения

УСС позволяют увеличить КПД производственного цикла, связанного с тепло- и массообменными процессами, при этом гарантируя защиту от избыточного давления. Рост эффективности возможен в рамках уже существующей системы и ее прочностных характеристик за счет увеличения максимально допустимого рабочего давления.

Как известно, коэффициент полезного действия термодинамического цикла зависит от перепада температур. В борьбе за эффективность инженеры-технологи, повышая рабочие параметры существующего процесса, сталкиваются с прочностными ограничениями трубопроводов, для защиты которых в свою очередь используются различные предохранительные устройства. 

Зачастую используемые пружинные предохранительные клапаны из-за разницы между давлением полного открытия и обратной посадки не только заставляют снижать максимально допустимое рабочее давление, но и провоцируют дополнительные потери рабочей среды при сбросе.

Если сказать проще, то нельзя поднять рабочую температуру до прочностных пределов системы в борьбе за КПД процесса, т. к. пружинный предохранительный клапан начнет слишком часто срабатывать, теряя при этом рабочую среду (а значит, опосредованно, и деньги) или же при возврате системы после аварийной ситуации в номинальный рабочий режим клапан останется открытым и потери продолжатся.

Краткое описание и характеристики системы

Проверенным решением³ в подобной ситуации могут стать УСС производства компании LESER, серия 700 (рис. 1).

В состав УСС входит:

• один или несколько пружинных предохранительных клапанов с удлинённым штоком и дополнительным навесным двухсторонним пневматическим приводом (рис. 2);
• щит управления, включающий в себя систему импульсных клапанов (рис. 3).

Пружинный предохранительный клапан имеет дополнительный навесной пневматический привод двухстороннего действия, смонтированный на модифицированном удлинённом штоке обычного пружинного предохранительного клапана LESER. Со щита управления в верхнюю камеру привода подается управляющий нагрузочный воздух, а в нижнюю – подъемный. 

За счет разницы давлений между ними создается результирующая сила, в каждый конкретный момент позволяющая корректировать работу изначально механического клапана. Для работы щита управления на него с компрессора заказчика подается чистый инструментальный воздух давлением от 4 до 10 бар изб. давления.

Чтобы улучшить динамику работы клапана на щите пневматического управления настраивается давление нагрузочного воздуха на требуемую величину выше давления подъемного. Причем на каждой из трех импульсных линий по забору сигнала с защищаемой системы установлено свое реле давления. Оно управляет сбросом нагрузочного воздуха для подрыва предохранительного клапана при наступлении аварийной ситуации. Каждое реле может быть настроено на индивидуальное давление срабатывания!

Как известно, пружинный предохранительный клапан прямого действия обладает определенными функциональными характеристиками, а именно:

1) конструктивный подъем и сертифицированная производительность должны быть достигнуты при превышении давления от давления начала открытия не более чем на 10 % (общее требование EN ISO 4126-7, ASME BPVC VIII-1);
2) посадка седла должна произойти при падении давления от давления начала открытия не более чем на:
• 15 % для сжимаемой среды и 20 % для несжимаемой среды согласно EN ISO 4126-7;
• 7 % для сжимаемой среды и предохранительных клапанов с регулируемой посадкой согласно ASME BPVC VIII-1 (для несжимаемых сред или клапанов без регулируемой посадки норматив не установлен, а фактические показатели должны быть только зарегистрированы и приняты к сведению).

На практике рабочее давление процесса не рекомендуется поднимать выше 85-90 % от давления начала открытия клапана из-за ограничений, связанных с особенностями работы пружинного предохранительного клапана (рис. 4). С использованием же дополнительной системы управления (в составе УСС) достигается меньший разброс между давлениями полного открытия (+1 %) и обратной посадки клапана (–3 %), и, как следствие, оператор легко может увеличить рабочее давление процесса до 95-96 % от давления начала открытия.

При этом клапан гарантированно будет иметь:

• герметичность вплоть до давления начала открытия;
• меньшую продолжительность и частоту срабатываний (меньше потерь среды / денег);
• меньший гистерезис давления при работе и более высокое давление срабатывания (меньше потерь среды, более высокий КПД цикла / эффективности системы);
• более стабильную работу (меньше подвержен пульсациям давления в системе);
• высокую точность настройки и повторяемость срабатываний (более высокая точность реакции реле давления);
• быстрое время реакции на управляющий сигнал;
• минимальное время простоев ввиду возможности тестирования клапана на установке без демонтажа в процессе работы системы (проверки его давления срабатывания).

Доказанный экономический эффект от внедрения

Рассмотрим примеры применения УСС и экономический эффект от внедрения.

Целлюлозно-бумажный комбинат (ЦБК). Использование УСС позволило увеличить на конкретном ЦБК давление в барабанах для сушки бумаги (рис. 5) на 10 % с 4 до 4,4 бар избыточного давления, что в свою очередь позволило увеличить температуру со 154 до 158 °С. Согласно данным оператора завода, увеличение давления на 0,1 бар ведет к увеличению производительности барабана по сушке бумаги на 0,7 %. Иными словами, завод, оборудованный 10 сушильными барабанами, получит увеличение производительности на 7 %.

Оператор завода сообщил, что вследствие применения УСС существенно уменьшилось количество разрывов бумажного полотна, и, как следствие, однозначно увеличилась производительность (т/ч) готовой продукции. Капитальные затраты на внедрение были покрыты за несколько месяцев.

Химический завод (рис. 6). Внедрение УСС позволило увеличить рабочее давление на заводе с предыдущих 14,5 до 16 бар избыточного давления без каких-либо дополнительных модификаций самого завода. Это привело к росту температуры на 8 °C и таким образом к существенному сокращению стоимости из-за меньшего объема потребляемого пара.

Согласно данным оператора, период окупаемости инвестиций составил всего три месяца.

Мусоросжигательный завод (рис. 7). Неравномерность теплоемкости твердых бытовых отходов в процессе утилизации приводит к резким скачкам температуры в камере сгорания и, как следствие, перегреву теплоносителя в паровом котле.

Внедрение УСС позволит уменьшить потери пара при срабатывании защитных предохранительных клапанов.

Примечание 1
EN ISO 4126 Safety devices for protection against excessive pressure - Part 5: Controlled safety pressure relief systems (CSPRS) (ISO 4126-5:2013 + Amd 1:2016).

Примечание 2
Здесь и далее терминология согласно ГОСТ 24856-2014 «Арматура трубопроводная. Термины и определения».

Примечание 3
«Управляемые системы сброса среды при недопустимом превышении давления» доказали свою экономическую эффективность, надежность и долговечность, а также нашли широкое применение в Европе. В России также на настоящий момент в эксплуатации находятся порядка 30 систем УСС.

Размещено в номере: «Вестник арматуростроителя», № 2 (58) 2020